浙江象山湾海岸线分形与人类干扰强度分析*

盘玉玲， 梁勤欧

(浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华 321004)



浙江象山湾海岸线分形与人类干扰强度分析*

盘玉玲， 梁勤欧

(浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华 321004)

为研究象山湾海岸线形态的时空变化,总结不同人类干扰强度下海岸线的分维值范围，采用遥感影像图结合ArcGIS分别对1995年、2002年、2014年的海岸线进行了数字化，并根据一定原则对不同干扰强度下的岸线进行了分段，运用网格法进行分形维数的计算.最后，对海岸线分形与人类干扰强度关系进行了探讨.结果表明：1)1995—2014年，象山湾海岸线的分维值稳定在1.04左右，但呈现下降趋势;2)全人工岸线分维值为0.97～1.04,半人工岸线分维值为0.99～1.02,全自然岸线分维值为1.03～1.09.说明受人类干扰强度越小，海岸线分维值一般越大.

象山湾；海岸线；分形；人类干扰强度

0 前 言

海岸线位于水陆交界处，受到来自陆地、海洋、大气、人类活动等多种因素的共同影响.海岸线的形态特征反映着自然尤其是人类活动对海岸带的作用[1].1967年，Mandelbrot[2]指出英国海岸线长度为不确定值，并计算出英国等海岸线的分维值,这标志着分形与分维概念的诞生.分形维数(fractal dimension)是分形理论中最核心的概念与内容，是Mandelbrot为表面曲线的复杂性和处处不可微性而提出的，是刻划分形体复杂结构的主要工具[3].

海岸线具有分形特征.Paar等[4]、冯金良等[5]、Jiang等[6]、Tanner等[7]、Horne等[8]国内外学者对不同地区海岸线的分维值进行了计算，并从不同角度分析了分形维数在海岸线研究中的意义.近年来，我国学者叶晓敏等[9]、李猷等[10]、孙钦帮等[11]、张云等[12]，分别从不同尺度对胶州湾、深圳市、长兴岛及全国海岸线的时空变化进行了研究，总结其时空演变规律.另外，朱晓华等[13-18]在海岸线的分维方向上做了大量的系统的研究，对以往研究少有涉及的海岸线空间分形性质进行了初步探讨，理论上将量规法和网格法进行了对比，并指出量规法所得分维数大于网格法.还系统地探讨了不同比例尺下海岸线长度的分形标定、不同潮滩分界线是否具有分形性质等.归纳了海岸线分维值的影响因素：地质构造、岩性、海岸动力等.宏观尺度上，对中国海岸线分维特征进行了分析，同时也对中美澳3国海岸线进行了对比，还分析了江苏省海岸线分维时序的动态变化，探讨了基岩质海岸及淤泥质海岸的分形机制.近期,马小峰等[19]运用分形维数理论抽样分析了我国主要的3类海岸线，总结其中的规律，在此基础上提出了可量化的海岸线分类方式.

以往的研究多侧重通过对分维值的计算来分析岸线的曲折程度、辅助计算海岸线长度及岸线的时空变化等.对已有文献进行归纳发现，各地的海岸线分维值各不相同，除了自然原因的差异外，人类活动的强度、规模、持续时间长短等对其也有明显的影响.因此，本文拟从人工岸线和自然岸线的分维值差异出发，比较归纳出海岸线分维值与人类活动干扰强度的相关关系.

图1 研究区概况图

1 研究区概况

象山湾位于浙江省北部沿海，三面环低山丘陵，是由穿山半岛与象山半岛的海岸构成的东北至西南走向的狭长半封闭式港湾.湾口南岸的礁山角(毛草山)至北岸的黄牛礁，为象山港的出入口，南北长约7.8 km；自湾口至下陈村(属奉化)西海岸，东西宽约48.15 km[20].象山湾海岸线曲折，分为大陆岸线及岛屿岸线，以基岩海岸和淤泥质海岸为主.近年来,随着港内火力发电厂、物流园区、工业区块、长三角高端休闲度假港湾及水产养殖基地等的建设，象山湾的海岸线发生了剧烈的变化.图1为象山湾地理位置示意.

2 数据与方法

2.1 数据来源

为提取象山湾的海岸线，本次研究采用的遥感数据为1995年、2002年及2014年3期共6景Landsat影像(见表1).其重复周期均为16 d.影像具有空间分辨率高、波谱分辨率较高、定位精度高的特点，包含极为丰富的信息量.Landsat 影像为资源、水体、森林、环境监测和城市规划提供可靠数据，第2波段(蓝光：450～515 nm)、第3波段(绿光:525～600 nm)、第4波段(红光：630～680 nm)、第5波段(近红外光: 845～885 nm)对海岸具有较高的辨识度[21].

运用ENVI 5.0软件对遥感影像进行融合.为增强图像信息，1995年的数据选取5，4，3波段进行假彩色合成；2002年的影像选取4,3,2波段进行合成；2014年的影像选择5，4，3波段进行假彩色合成，并对影像进行5%的拉伸.对3期的6景影像分别进行拼接.最后对遥感影像进行几何精校正.

表1 遥感影像数据信息

2.2 海岸线的提取

海岸线是海岸带重要的地貌类型之一，目前学界对于“海岸线”尚未形成统一的定义.本文选取文献[22]中对“海岸线”的定义：“海岸线是指平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线”.象山湾的海岸类型以人工海岸、基岩海岸为主，包含少部分淤泥质海岸、砂砾质海岸.图2为象山湾典型海岸影像图.海岸线有大陆海岸线和岛屿海岸线之分，本文仅研究大陆海岸线的分维值及人类干扰程度.由于海岸线的解译涉及陆域及海域两部分，提取过程较为复杂，在研究过程中首先根据海水与陆地颜色差异提取水边线，进行海陆分离，而后对不同性质的海岸线进行目视解译.在人工解译和提取海岸线时严格遵循如下原则：

(a)人工海岸 (b)基岩质海岸

(c)淤泥质海岸 (d)河流入海河口

图2 象山湾典型海岸影像图

1)人工海岸包括填海造地工程、海产养殖设施、大量海底防波堤及码头等，本文为减小对分维值的干扰而对码头及桥不进行提取.人工岸线一般由石块或水泥等材质筑成，具有较高的光谱反射率，与海水及滩涂等的区分度较大.岸线提取时通过光谱差异辨别人工建筑部分.

2)基岩质海岸通常陡峭入海，与海水交接的边界十分明显.因此,提取基岩海岸的岸线时，选取直立陡崖及入海呷角和海水的相交处为解译标志.

3)研究区域内淤泥质海岸多数已进行人类活动开发，修建了虾池鱼塘等海产养殖设施，均在向海一侧修建了防浪堤坝防止海水入侵.因此,在岸线提取时选取这些堤坝与潮滩相交线为海岸线.对于未开发的淤泥质海岸，在已经解译的水边线图像基础之上，计算大潮高潮与遥感卫星过境时的潮位的潮差值，根据潮滩的坡度，最后推算出平均大潮高潮位时海陆分界线的位置，即海岸线位置[23].

4)河口岸线是大陆海岸线的重要组成部分，河口受地表径流及海域潮流的双重影响，在提取河口岸线时河口分界线一般定在河流缩窄或两岬曲率最大处[24].

根据以上原则，依据海岸线在遥感影像上的色调、纹理及空间形态与分布等特征，并参照研究区的地形图、真彩色航片等辅助资料来综合分析与人工目视判读海岸线.运用ArcGIS10.1软件对不同时相的象山湾海岸线进行了提取,见图3.

图3 象山湾1995年、2002年及2014年海岸线

2.3 分维值计算方法

在海岸分形研究中，常用的分维值计算方法有：量规法及网格法.此次研究主要采用网格法,即使用不同宽度的正方形网格去覆盖被测海岸线.当正方形网格长度εκ出现变化时，则海岸线覆盖的网格数目Nκ(εκ)也发生变化，根据分形理论,有以下方程式成立[24]：

(1)

对式(1)两边求对数，可得

(2)

式(2)中：A为待定常数；D即被测海岸线的分形维数.采用不同的εκ值和对应的Nκ(εκ)值，通过拟合分析即可得到分形维数D.D较好地描述了海岸线长度测量尺度变化的快慢情况，即海岸线的复杂弯曲程度.直线的分形维数理论值为1，矩形的分形维数理论值为2，分形维数值越大，表示海岸线的形状越复杂.本文根据岸线人类干扰强度的差异，将象山湾海岸线分为人工岸线、半人工岸线及自然岸线3类进行分维值计算.

2.4 本底值计算

本底值是应用于环境科学中的一项基本指标，又称背景值，是指环境要素在未受污染影响的情况下，其化学元素的正常含量及环境中能量分布的正常值[25].本文将本底值这一概念引用到海岸线形态特征的研究中，即纯自然岸线或是纯人工岸线的分维值.掌握不同海岸线的本底值，能够有效判断其是否受人类活动的影响，并估算其干扰程度.

此实验将分段选取象山湾不同年份的人工岸线、半人工岸线及自然岸线，运用ArcGIS 10.1结合Excel计算其分维值，对应分析归纳出全干扰、半干扰及无干扰下的岸线的本底值.

全干扰岸线指受人类活动影响程度大的海岸线，象山湾的人工岸线多以海产养殖设施、海堤防波堤及填海造地工程为主，大多比较平直、有规则.半干扰状态下的海岸线多为基岩海岸内侧存在凹凸的部分，为了更好地利用海洋资源，人类活动多将弯曲的海湾填平填直向外拓展.无干扰状态的海岸即为自然岸线，在象山湾内以基岩海岸为主，多伴随山地、丘陵而存在.

2.5 海岸线选取及分维值与干扰度的关系探讨

由于海岸线曲折,形态多变，不同部分海岸线曲折程度存在较大差异，尤其是人工岸线与破碎的自然岸线间的分维值相差较大.在对不同干扰程度下的海岸线的分维值进行计算时，样本的选取显得尤为关键.通过反复实验，最终运用以下原则选取不同干扰程度下的海岸线.

全干扰岸线选取：1)选取纯人工海岸线；2)在选取长度上依据海岸线局部特征而定.由于需要确定分维值范围，因而，在选取时除了选取十分平直的海岸线外，还需选取曲折的人工岸线，以及曲率适中的海岸线，以最大程度地覆盖全干扰程度下海岸线的分维值；3)选取样本的数量要适中，本文选取了不同形态、不同长度全干扰岸线共5段.

半干扰岸线选取：主要选取基岩海岸与人工岸线混合部分，长度适宜，数量适中,具有代表性.

无干扰岸线选取：由于象山湾沿岸人类活动频繁，现存的较长的自然岸线越来越少，在选取时采用1995年数据.选取时数量和长度遵循人工岸线的原则.

经过初步实验可以猜想，分维值在1附近波动，分形值越大,曲折程度也越大,一般来说，这种情况为自然岸线的可能性较大;而分维值越小，受人工干扰程度越大，海岸线越趋于平直.

3 结果分析

为研究海岸线的形态时空变化，本文首先严格按照标准分别对1995年、2002年及2014年象山湾海岸线进行提取.在此基础之上运用网格法对3个不同时期的海岸线的分形维数进行计算，并探讨其变化规律.按一定的标准抽样选取了不同人类干扰强度下的海岸线，计算其分维值，最后试图得出不同干扰程度下海岸线的本底值.结果分析如下.

3.1 象山湾岸线分维变化

依据网格法的要求，采用12个网格长度εκ，对1995年、2002年及2014年象山湾海岸线覆盖的网格数Nκ(εκ)进行计算，得出的结果如表2所示.

表2 象山湾不同历史时期海岸线分形维数变化的计算结果

利用表2中的数据建立各年份网格长度及网格数目的函数图，根据εκ和Nκ(εκ)的散点图，使用最小二乘线性回归分析对公式进行拟合，得出1995—2014年间象山湾的分维值及网格长度和网格数之间的相关系数,具体见表3.

表3 不同历史时期象山湾海岸线分形维数

由表3可知,εκ和Nκ(εκ)的相关系数都在0.999 8以上，接近1.可知象山湾不同时期海岸线的分形性质客观存在，因此,可以将分形维数作为表征海岸线随时间变化而变化的特征参数[9].

由计算结果可知,象山湾内3个不同时期的海岸线分形维数分别为1.049 8,1.047 7,1.043 2，对比可知,研究区内的海岸线分形维数随着时间的变化而逐渐减小，海岸线的曲折程度在不断下降.其原因多半是由于围海造田、修建海港、养殖区开发等人类活动对海岸线形态的改造，使得海岸线趋于平直，分维值达到最小.在对遥感影像目视解译时可以明显看出，象山湾内许多淤泥质海岸、基岩质海岸被开发为人工海岸，在此过程中海岸线不断向海洋一侧扩张，其曲折程度逐渐下降，且形状趋于规则平直.因而运用网格法计算所得结论与这一现象基本一致.引入分形维数有效地将海岸线的变化规律量化，在此基础上可对海岸线的发展趋势进行定量分析.

3.2 象山湾岸线分维值与干扰强度

运用上文所述的不同干扰强度的海岸线的选取原则，分别对选取的全干扰岸线、半干扰岸线及无干扰岸线进行分维值计算，在选取网格大小时根据岸线长度而对应调整，大多采用以25 m为级差，采用25～300 m的渔网对其分维值进行计算，得出如下结果,具体见表4～表6.

表4 象山湾全人类干扰程度下海岸线分形维数

表5 象山湾半干扰程度下海岸线分形维数

表6 象山湾无人类干扰程度下海岸线分形维数

由实验可知，象山湾范围内不同人类干扰程度下的海岸线，它们各自的双对数散点的相关系数均大于0.99，并接近于1，说明岸线间具有极高的线性相关性.即对各类海岸线来说，它们都具有分形的性质，在一定的标度之内具有各自的分维唯一值.在此前提下进而对不同人类干扰程度下的海岸线进行深入的探讨.

根据人工岸线的选取原则，选取5段全干扰岸线进行分维计算，分维值的波动区间大体为0.97～1.04，出现异常值1.067 1，均值为1.011 0.半干扰程度下海岸线的分维值为0.99～1.02.而无人类干扰程度下海岸线的分维值为1.03～1.09，出现异常值0.987 3，去除异常值后的均值为1.052.

对比表4～表6中各类型岸线的分维值，可以发现人工岸线和半人工岸线的分维值最小，且二者的差异较小.而自然岸线的分维值较大，与人工及半人工岸线相差较大.象山湾内自然岸线以基岩质海岸为主，主要由花岗岩、石英岩、玄武岩等坚固的岩石构成，长期受海水的侵蚀及溶蚀，因而自然岸线形态较为曲折，分维值比受人类活动影响的岸线更大.而人工岸线多为人工修建，虽受海岸地形的限制，但总体形状较为规则，海岸线更加平直，分维值相对较小.

图4 象山湾不同人类干扰程度下海岸线分形维数折线图

4 结 论

海岸线曲折各异，形态看似杂乱无章，毫无规律可循,但用分形理论来分析，可以发现它们仍然具有一定的数学规律,并能够通过分形维数来表示.本文通过对象山湾海岸线总体及根据人类干扰程度差异的研究得出如下结论：

1)象山湾大陆海岸线具有分形性质，且其海岸线在时空上呈现出一定的变化规律，1995年、2002年及2014年的分维值分别为1.049 8,1.047 7,1.043 2，分维值呈现下降趋势.近年来随着经济的发展，人类活动频繁，对海岸线的改造导致岸线形状发生着剧烈的变化，这是导致分维值下降的主要原因.

2)在不同人类活动干扰程度下的海岸线性质具有差异性.全干扰程度下岸线分维值为0.97～1.04;半干扰程度下岸线分维值为0.99～1.02;无干扰程度下岸线分维值为1.03～1.09.象山湾内自然岸线以基岩海岸为主，其形态变化缓慢且具有曲折破碎的特征，其分维值远大于受人类活动改造之后的岸线，人工岸线多为人类围海造田、修建堤坝、码头，因为岸线趋于平直，分维值普遍较小.

3)本文在前人对各地海岸线分形性质研究的基础上，考虑人类活动，并根据干扰强度的不同对岸线的分维值进行了进一步的研究，但仍存在许多需要进一步探讨及改进的问题.例如，人工、半人工及自然岸线选取时的数量及长度能否量化、更为规范化？如何将对全国人类干扰强度不同的海岸线进行分形标定(如何将象山湾岸线分维值计算推广至更大范围)？运用其他分形方法对于分维值的大小研究是否有差异？等等.

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(责任编辑 杜利民)

The analysis of Zhejiang Xiangshan Bay coastline fractal and human disturbance intensity

PAN Yuling， LIANG Qin′ou

(CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

It was investigated the morphology change of Xiangshan Bay′s coastline in temporal and spatial, and summarized the range of fractal dimensions under different intensity of human activities, remote sensing images combined with ArcGIS were used to the digitalization of the coastlines in 1995, 2002 and 2014. Coastlines were divided into sections according to different intensity of human activity. The fractal dimensions were calculated by grid method, and the relationship between fractal dimensions and the intensity of human activity was discussed. It was concluded that: 1)The fractal dimensions of Xiangshan Bay during 1995 and 2014 stabilized around 1.04, but followed a downward trend； 2)The fractal dimensions of artificial coastlines were 0.97～1.04, semi-artificial coastlines were 0.99～1.02; the natural coastline were 1.03～1.09. It indicated that generally weaken the intensity of human disturbance would result in larger fractal dimension.

Xiangshan Bay; coastline; fractal; human disturbance intensity

10.16218/j.issn.1001-5051.2017.01.016

2016-04-15；

2016-05-18

国家自然科学基金资助项目(70773089)

盘玉玲(1994-)，女，四川南充人，硕士研究生.研究方向:地理信息系统.

梁勤欧．E-mail： qoliang@sina.com

P731.1

A

1001-5051(2017)01-0106-08